JP6443955B2 - Semiconductor laser device - Google Patents
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Description
本発明は、半導体レーザ光源に関する、より詳細には、中長距離の光ファイバ通信やガスなどの光センシングで用いられる単一モードで動作する半導体レーザ光源、半導体レーザ装置に関する。 The present invention relates to a semiconductor laser light source, and more particularly to a semiconductor laser light source and a semiconductor laser device that operate in a single mode used in optical sensing of medium and long distance optical fibers and gas.
近年、光通信システムが大容量化するのに伴って、多値位相振幅変調を用いたデジタル・コヒーレント通信方式が普及し始めている。この通信方式は、光の位相情報を用いてデジタル信号を伝達する方式であるため、キャリア光を供給する光源には、位相雑音が少なく、スペクトル線幅が狭いレーザ光源が必要とされる。 In recent years, with the increase in capacity of optical communication systems, digital coherent communication systems using multi-level phase amplitude modulation have begun to spread. Since this communication method is a method for transmitting a digital signal using phase information of light, a light source for supplying carrier light requires a laser light source with little phase noise and a narrow spectral line width.
レーザ光源としては様々な種類のものがあるが、半導体レーザは、小型で低コストなため、光通信用の光源として広く普及している。特に中・長距離の光通信システムにおいては、単一モードで動作する分布帰還型(DFB:Distributed FeedBack)レーザなどが広く用いられている。また中・長距離の光通信システムでは、光ファイバ1本あたりの伝送容量を増大させるために、波長多重(WDM:Wavelength Division Multiplexing)技術が一般に用いられている。したがって、デジタル・コヒーレント通信のための光源に対しては、任意の波長チャネルを出力することができる波長可変特性も必要とされている。 There are various types of laser light sources, but semiconductor lasers are widely used as light sources for optical communication because of their small size and low cost. In particular, in medium and long distance optical communication systems, distributed feedback (DFB) lasers that operate in a single mode are widely used. Also, in a medium / long-distance optical communication system, wavelength division multiplexing (WDM) technology is generally used in order to increase the transmission capacity per optical fiber. Therefore, a wavelength variable characteristic capable of outputting an arbitrary wavelength channel is also required for a light source for digital coherent communication.
半導体レーザは、他の固体レーザやガス・レーザなどと比べると共振器サイズが小さいため、位相ノイズは相対的に大きい。例えば、通常の数百μmの共振器サイズを持つ半導体レーザの線幅はMHzオーダーとなっている。ここで、線幅はスペクトル線幅を意味しており、スペクトルの半値全幅(FWHM:Full Width at Half Maximum)で表される。現在、普及が進んでいる100Gbit/sのデジタル・コヒーレント通信システムにおいては、偏波多重四位相偏移(QPSK:Quadrature Phase Shift Keying)変調方式が用いられており、レーザ光源には数百kHzのスペクトル線幅が要求されている。このような用途には、共振器長を1mm程度まで長くしてスペクトルを狭線幅化した波長可変DFBレーザアレイや外部共振器型レーザなどが用いられている。多値度のより大きな変調方式を使用してより大容量の通信を実現するために、今後さらにスペクトル線幅の狭い光源の実現が期待されている。また、通信以外の光センシング応用などにおいても、狭い吸収線スペクトルを高感度に観測するために、光源のスペクトルの狭線幅化が求められている。 Since the semiconductor laser has a smaller resonator size than other solid-state lasers and gas lasers, the phase noise is relatively large. For example, the line width of an ordinary semiconductor laser having a resonator size of several hundred μm is in the order of MHz. Here, the line width means a spectral line width, and is represented by a full width at half maximum (FWHM) of the spectrum. In a 100 Gbit / s digital coherent communication system that is currently in widespread use, a polarization multiple quadrature phase shift keying (QPSK) modulation method is used, and a laser light source has a frequency of several hundred kHz. Spectral line width is required. For such applications, a tunable DFB laser array, an external resonator type laser, or the like in which the resonator length is increased to about 1 mm to narrow the spectrum is used. Realization of a light source with a narrower spectral line width is expected in the future in order to realize a larger-capacity communication by using a modulation scheme having a higher multilevel. Also, in optical sensing applications other than communication, in order to observe a narrow absorption line spectrum with high sensitivity, it is required to narrow the spectrum of the light source.
半導体レーザにおいてスペクトル線幅を10kHz程度まで狭めることのできるものとして、半導体チップの外に光学共振器を構成する、いわゆる外部共振器型レーザがある。例えば非特許文献1では、半導体光増幅器、外部反射器、波長を選択するためのエタロン・フィルタ、およびレンズなどからなる外部共振器型レーザが開示されている。この構成によって、1550nmのC帯全域をカバーする波長可変特性および数10kHzの線幅特性が得られたことが報告されている。しかしながら、外部共振器型レーザは半導体チップ以外にも多数の部品を必要とし、さらにこれらを高精度に組み立てる必要があった。また、外部共振器型レーザでは、多数の共振モードの中から1つの波長を選択するために、少なくとも2個以上の波長フィルタを制御しなければならず、その制御回路が複雑になる問題があった。さらには半導体レーザ装置の製造工程において、波長特性の試験・検査が複雑となる問題もあった。
As a semiconductor laser capable of narrowing the spectral line width to about 10 kHz, there is a so-called external resonator type laser in which an optical resonator is formed outside a semiconductor chip. For example, Non-Patent
スペクトル線幅を狭める他の構成として、DFBレーザをベースとした波長可変レーザも知られている。この構成では、原理的に同じ発振モードを保ったまま温度制御などを用いて波長を変えることができる。このため、波長可変のための制御は簡単となる。共振器長を1mm程度まで長くすることによって、DFBレーザベースの波長可変レーザでは100kHz程度までの線幅が得られている。しかしながら、共振器をさらに長くしようとすると、回折格子のピッチの均一性および共振器を構成する光導波路の等価屈折率の均一性を維持することが難しくなる。したがって長い共振器では、製造ゆらぎにより均一な共振器を形成することが難しくなり、DFBレーザベースの波長可変レーザにおいても、スペクトルの狭線幅化には限界があった。 As another configuration for narrowing the spectral line width, a tunable laser based on a DFB laser is also known. In this configuration, the wavelength can be changed using temperature control or the like while maintaining the same oscillation mode in principle. For this reason, the control for changing the wavelength becomes simple. By increasing the resonator length to about 1 mm, the DFB laser-based wavelength tunable laser has a line width of up to about 100 kHz. However, if the resonator is further lengthened, it becomes difficult to maintain the uniformity of the pitch of the diffraction grating and the uniformity of the equivalent refractive index of the optical waveguide constituting the resonator. Therefore, with a long resonator, it becomes difficult to form a uniform resonator due to manufacturing fluctuations, and even with a DFB laser-based tunable laser, there is a limit to narrowing the spectral linewidth.
半導体レーザの発振光の一部を外部から帰還することによって、スペクトル狭線幅化の効果が得られることが知られている。例えば非特許文献2では、光ファイバを用いて半導体レーザに光を帰還する構成が示されている。非特許文献2の構成によれば、外部から一部の光を半導体レーザに帰還することによって、スペクトル線幅を2桁以上狭窄化することができる。しかしながら、光ファイバを用いる方法では、発振の安定性に難点があった。半導体レーザの発振状態は帰還光の位相に敏感であり、帰還光の位相状態が変化すると、外部共振モードによる波長跳びなどが生じていた。すなわち光ファイバを用いた帰還型の構成では、光ファイバの変位、応力、温度などの微小な変化に対して発振状態が不安定になってしまうため、実際の通信装置の環境において波長可変光源として使用することは困難であった。 It is known that the effect of narrowing the spectral linewidth can be obtained by feeding back part of the oscillation light of the semiconductor laser from the outside. For example, Non-Patent Document 2 shows a configuration in which light is fed back to a semiconductor laser using an optical fiber. According to the configuration of Non-Patent Document 2, the spectral line width can be narrowed by two orders of magnitude or more by returning a part of the light from the outside to the semiconductor laser. However, the method using an optical fiber has a difficulty in oscillation stability. The oscillation state of the semiconductor laser is sensitive to the phase of the feedback light, and when the phase state of the feedback light changes, a wavelength jump due to the external resonance mode occurs. In other words, in the feedback type configuration using an optical fiber, the oscillation state becomes unstable with respect to minute changes such as displacement, stress, temperature, etc. of the optical fiber. It was difficult to use.
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、半導体レーザで構成され、小型で制御性が良く、スペクトルを狭線幅化した光源を実現することにある。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to realize a light source that is composed of a semiconductor laser, is small in size, has good controllability, and has a narrowed spectrum. is there.
本発明の一態様は、単一モードで発振する半導体レーザが形成された第1の基板と、前記半導体レーザからの出力光の一部を一定の光路長を伝搬させた後で、前記半導体レーザへ帰還するように構成された光波回路が形成された第2の基板と、前記第1の基板および前記第2の基板を搭載した第3の基板とを備え、前記第1の基板の前記半導体レーザからの出力光と、前記第2の基板の前記光波回路の入力導波路とが光学的に結合していることを特徴とする半導体レーザ装置である。 According to one embodiment of the present invention, a first substrate on which a semiconductor laser that oscillates in a single mode is formed, and after a part of output light from the semiconductor laser propagates a certain optical path length, the semiconductor laser A second substrate on which a lightwave circuit configured to return to the substrate is formed, and the first substrate and a third substrate on which the second substrate is mounted, and the semiconductor of the first substrate The semiconductor laser device is characterized in that the output light from the laser is optically coupled to the input waveguide of the light wave circuit of the second substrate.
好ましくは、前記第2の基板上の前記光波回路は、前記伝搬させた光を反射する反射器を含み、前記反射器で反射された光が、前記半導体レーザへ帰還するように構成されることができる。 Preferably, the lightwave circuit on the second substrate includes a reflector that reflects the propagated light, and the light reflected by the reflector is configured to return to the semiconductor laser. Can do.
また、前記第2の基板上の前記光波回路は、前記半導体レーザからの前記出力光を分岐して前記出力光の前記一部を生成する分岐手段を有することができる。また、前記第1の基板は、前記半導体レーザからの前記出力光を2つに分岐して、一方の分岐光として前記第2の基板の前記出力光の前記一部を生成し、他方の分岐光として当該半導体レーザ装置の出力光を生成する分岐手段を有し、前記分岐手段の前記一方の分岐光を増幅する第1の半導体光増幅器と、前記分岐手段の前記他方の分岐光を増幅する第2の半導体光増幅器とを有することもできる。 The lightwave circuit on the second substrate may include branching means for branching the output light from the semiconductor laser to generate the part of the output light. Further, the first substrate branches the output light from the semiconductor laser into two, generates the part of the output light of the second substrate as one branched light, and the other branch A first semiconductor optical amplifier that amplifies the one branched light of the branching means, and amplifies the other branched light of the branching means; A second semiconductor optical amplifier can also be included.
好ましくは、前記第1の基板の前記半導体レーザからの前記出力光と、前記第2の基板の前記光波回路の前記入力導波路とが、前記第1の基板の端面および当該端面と対向する前記第2の基板の端面の間で結合していることができる。 Preferably, the output light from the semiconductor laser on the first substrate and the input waveguide of the light wave circuit on the second substrate face the end surface of the first substrate and the end surface. There may be a bond between the end faces of the second substrate.
前記半導体レーザは、回折格子による波長選択機能を備えた分布帰還型(DFB)レーザまたは分布反射型(DBR)レーザであり得る。また好ましくは、前記半導体レーザは、N個の分布帰還型(DFB)レーザアレイ、前記N個のDFBレーザアレイからの各出力光を合波するよう構成された光合波器および半導体光増幅器が集積され、波長可変レーザとして動作することができる。また、前記半導体レーザは、N個の分布反射型(DBR)レーザアレイ、前記N個のDBRレーザアレイからの各出力光を合波するよう構成された光合波器および半導体光増幅器が集積され、波長可変レーザとして動作することもできる。上述の光合波器は、N対1光合波器として構成することもできるし、N対2の光合分波器として構成することもできる。 The semiconductor laser may be a distributed feedback (DFB) laser or a distributed reflection (DBR) laser having a wavelength selection function using a diffraction grating. Preferably, the semiconductor laser includes N distributed feedback (DFB) laser arrays, an optical multiplexer configured to multiplex output lights from the N DFB laser arrays, and a semiconductor optical amplifier. And can operate as a wavelength tunable laser. The semiconductor laser is integrated with N distributed reflection (DBR) laser arrays, an optical multiplexer configured to multiplex output lights from the N DBR laser arrays, and a semiconductor optical amplifier. It can also operate as a wavelength tunable laser. The above-described optical multiplexer can be configured as an N-to-1 optical multiplexer, or can be configured as an N-to-2 optical multiplexer / demultiplexer.
本発明によれば、半導体レーザの出力光の一部を光帰還用の光波回路を用いて半導体レーザに戻すことにより、スペクトルを狭線幅化した動作が可能となる。半導体レーザチップと光波回路チップの組み合わせで構成され、小型で制御性が良く、スペクトルを狭線幅化した光源を実現する。 According to the present invention, a part of the output light of the semiconductor laser is returned to the semiconductor laser by using a light wave circuit for optical feedback, thereby enabling an operation with a narrowed spectrum. It is composed of a combination of a semiconductor laser chip and a lightwave circuit chip, and realizes a light source having a small size, good controllability, and a narrowed spectrum.
本発明の半導体レーザ光源では、半導体レーザの出力光の一部を光帰還用の光波回路を用いて半導体レーザに戻すことにより、スペクトルを狭線幅化した動作が可能となる。前述のように、非特許文献2における、光ファイバを用いて半導体レーザに光を帰還する構成では、光ファイバの変位、応力、温度などの微小な変化に対して発振状態が不安定になり、実際の通信装置の環境で使用することは困難であった。 In the semiconductor laser light source of the present invention, an operation with a narrowed line width can be performed by returning a part of the output light of the semiconductor laser to the semiconductor laser using a light wave circuit for optical feedback. As described above, in the configuration in which light is fed back to the semiconductor laser using the optical fiber in Non-Patent Document 2, the oscillation state becomes unstable with respect to minute changes such as displacement, stress, and temperature of the optical fiber, It was difficult to use in an actual communication device environment.
これに対して本発明の半導体レーザ装置では、変形することのない光導波路によって光帰還用の光波回路を構成するとともに、光波回路を含む基板を、半導体レーザが保持される基板とともに、同一の基板上に配置している。このため、光帰還回路の動作環境の安定性を確保することが可能となる。また、本発明の半導体レーザ装置の光帰還の構成では、光波回路に波長選択フィルタの機能は含まれておらず、半導体レーザが持つ波長可変機能を用いる。このため、外部共振器レーザの構成のように、フィルタの波長を精密に調整する必要がない利点がある。このように、本発明の半導体レーザ装置の構成では、小型・安定で、波長制御性が良く、スペクトルの狭線幅化された光源を実現することができる。尚、以下の説明では、半導体レーザ光源および半導体レーザ装置は、同じ意味のものとして使用する。図面を参照しながら、本発明の様々な実施例について説明する。 On the other hand, in the semiconductor laser device of the present invention, a lightwave circuit for optical feedback is constituted by an optical waveguide that is not deformed, and the substrate including the lightwave circuit is the same substrate as the substrate on which the semiconductor laser is held. Arranged above. For this reason, it is possible to ensure the stability of the operating environment of the optical feedback circuit. Further, in the optical feedback configuration of the semiconductor laser device of the present invention, the function of the wavelength selection filter is not included in the light wave circuit, and the wavelength variable function of the semiconductor laser is used. For this reason, there is an advantage that it is not necessary to precisely adjust the wavelength of the filter as in the configuration of the external cavity laser. As described above, in the configuration of the semiconductor laser device of the present invention, it is possible to realize a light source that is small and stable, has good wavelength controllability, and has a narrow spectral line width. In the following description, the semiconductor laser light source and the semiconductor laser device are used as having the same meaning. Various embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の実施例1に係る半導体レーザ装置の概略を示す図である。本実施例の半導体レーザ装置100は、単一の基板101上に搭載された、波長可変半導体レーザチップ102および光帰還用の光波回路チップ103を備える。波長可変半導体レーザチップ102の出力端側には、出力光が光波回路チップ103の入力導波路に入射するように、レンズ104、105が配置される。基板101の材料としては、熱伝導性の良いタングステン銅合金(CuW)などの金属材料が用いられる。図1には描かれていないが、基板101の裏面には、TEC(Thermo-Electric Cooler)が配置され、基板101全体の温度を制御することができる。
FIG. 1 is a diagram schematically illustrating a semiconductor laser device according to a first embodiment of the present invention. The
波長可変半導体レーザチップ102からの出力光は、まずレンズ104によりコリメート・ビームに変換され、レンズ105により光波回路チップの入力導波路に集光される。後述するように、波長可変半導体レーザチップ102の光出力の一部が光波回路103から反射されて戻るように構成されている。この反射光は、光波回路103への往路とは逆の光路を辿って、波長可変半導体レーザチップの出力導波路に帰還される。光波回路103内では、帰還光以外の光は出力光として出力導波路に導かれる。光波回路103からの出力光は、レンズ106によりコリメート・ビームに変換され、光アイソレータ107を通して、半導体レーザ装置の出力光として使用される。光アイソレータ107は、半導体レーザ装置の外部からの戻り光によって、レーザ発振が不安定になるのを防ぐために用いられる。光ファイバに光を導きたい場合は、アイソレータ通過後のコリメート・ビームを、集光レンズを用いて光ファイバに入力させれば良い。
The output light from the wavelength tunable
図2A〜図2Cは、本発明の半導体レーザ装置における波長可変半導体レーザチップのより詳細な構造を示す図である。図2Aは波長可変半導体レーザチップ102の基板面を見た上面図である。図2Bは、共振器の長さ方向に沿って、図2Aの上面図の線分IIB−IIBで基板面に垂直に切って見た断面図である。図2Cは、図2Aの上面図の線分IIC−IICで基板面に垂直にかつ共振器の長さ方向に垂直に切って見た断面図である。図2Aの波長可変半導体レーザチップは、4つのDFBレーザ201a〜201d、光合波器203および半導体光増幅器204の各部分がInP基板上に集積され、DFBレーザアレイ型の構成を持つ。各部分は、導波路202a、202bによって接続されている。図2Bのレーザ共振器に沿った断面図を参照すれば、1つのDFBレーザでは、電流を注入することにより増幅作用を持つ活性層212の直上に、回折格子214が形成されたガイド層213を備える。これらの層212、213、214は、n型InPクラッド層216およびp型InPクラッド層217によってさらに挟み込まれている。
2A to 2C are diagrams showing a more detailed structure of the wavelength tunable semiconductor laser chip in the semiconductor laser device of the present invention. FIG. 2A is a top view of the wavelength tunable
レーザ発振動作は、n側電極219を接地し、p側電極220に正の電圧を加えて、活性層212に電流を注入することによって生じる。このとき、回折格子214の周期で定まる波長のみが強く帰還されるため、この波長付近で単一モード発振する。図2Cのレーザ共振器の光進行方向を見た断面図に示すように、1つのDFBレーザは、活性層212およびガイド層213の周りがInPによって埋め込まれた、いわゆる埋め込み型の導波路構造を持つ。n型InP電流ブロック層221は、活性層212に効率良く電流を注入するために設けられている。
The laser oscillation operation occurs by grounding the n-
光合波器203は、4入力1出力の多モード干渉型導波路により構成される。DFBレーザから連続して形成された導波路の透明コア層215(図2Aの導波路202aに対応)は、発振光に対して透明な組成のInGaAsP混晶により形成されている。半導体光増幅器204は、DFBレーザ201a〜201dの各々と同様に利得を持つ導波路212によって構成されているが、回折格子214は形成されておらず、いわゆるSOA(Semiconductor Optical Amplifier)を構成している。尚、上述のDFBレーザの各部の具体的な構造、材料、構成パラメータは例示的なものであって、多値位相振幅変調を用いたデジタル・コヒーレント通信方式に適用可能なレーザ光源として利用可能な半導体レーザであれば、上述の具体例だけには限定されない。
The
波長可変半導体レーザチップ102では、チップ内の導波路から出射する光がチップ端面で反射するのを防ぐため、導波路がチップ端面に対して垂直ではなく、やや斜めになるように形成されている。さらに、チップの端面上には、反射防止膜211a、211bが形成されている。半導体光増幅器204に流す電流量を制御することにより、光出力レベルを調整することができる。DFBレーザアレイの各DFBレーザ201a〜201dに形成されている回折格子は、それぞれ異なるピッチで形成されているため、各々が対応する異なる波長で発振するように動作する。DFBレーザアレイの中から、電流を流して発振させるDFBレーザを1つ選択することによって、出力光の波長を変えることが可能となる。本実施例では、1550nm帯において、所定の温度で約4nmの波長間隔となるようにDFBレーザアレイ各々の発振波長が設定される。DFBレーザの発振波長は、チップ温度が1度変化すると、長波長側に約0.1nm変化する。したがって、レーザ温度を20℃から60℃の範囲で40度変化させれば、発振波長を4nm変化させることができる。所定の温度における4つのDFBレーザ201a〜201dの各発振波長の間で、任意の波長に連続的に変化さることができる。図2A〜図2Cの本実施例の構成の場合、4×4nm=16nmの波長範囲で、任意の波長で発振させることが可能となる。図2A〜図2Cでは、4つのDFBレーザを含むアレイ構成例を例示的に示したが、DFBレーザのアレイ数を増加すれば、アレイ数に応じて波長可変範囲をさらに広げることができる。
In the wavelength tunable
図3は、本発明の半導体レーザ装置の光波回路チップのより詳細な構造を示す図である。光波回路103は、Si基板上にSiO2ガラス膜を堆積させることにより作製されている。光導波路301は、屈折率の高い矩形状のコア層のまわりを屈折率の低いクラッド層で埋め込んだ構造を持つ。本実施例では、コア層とクラッド層との間の屈折率差は、約2.5%とした。図2Aに示した波長可変半導体レーザチップ102からの発振光は、レンズ104、105を経て、光導波路301の光入力部302へ入射する。入射光は光導波路301を伝搬し、方向性結合器306によって、光出力部303へ伝搬する光と光反射器305へ伝搬する光とに分けられる。発振光の一部を光反射器305導く導波路は、その光路長を一定程度長くするように設定される。スペクトル線幅は、光路長の二乗に反比例して狭まることが知られており、レーザ出力部から光反射器305までの光路長を一定程度長くした方が、スペクトル線幅の狭窄効果が高いからである。スペクトル線幅を10kHz以下にするためには10cm以上が必要であって、安定動作のためには40〜50cm以下が好ましい。本実施例の光導波路301では、光入力部302から光反射器305までの光路長を約13cmと設定した。反射器305により反射した光は、光導波路を逆方向に伝搬し、光入力部302へ戻っていき、最終的には半導体レーザチップ103に帰還される。反射光の一部は方向性結合器306により、光モニタ出力部304へと伝搬する。FIG. 3 is a diagram showing a more detailed structure of the lightwave circuit chip of the semiconductor laser device of the present invention. The
光波回路103の光入力部302、光出力部303および光モニタ出力部304では、チップの端面で光が反射しないようにするために、光導波路の伝搬方向がチップ端面に対して斜めになるように構成される。特に光入力部302および光出力部303では、光の反射を低く抑えるために、反射防止用のAR膜307a、307bが端面上にそれぞれ形成されている。一方、光反射器305では、一定の光反射を得るために、光導波路はチップ端面に対して垂直となるように構成されており、反射器305の表面には高反射膜308がコーティングされている。
In the
図3の光波回路チップの構成例では、反射光を得るためにチップの1つの端部に反射器305を有する例を示したが、必ずしもこの構成だけに限定されない。例えば、光波回路上にスプリッターと導波路を組み合わせて構成されるループ型の反射器を形成し、そのループ型反射器で、波長可変半導体レーザチップ102からの発振光を反射させても良い。
In the configuration example of the lightwave circuit chip in FIG. 3, an example in which the
したがって、本発明の半導体レーザ装置は、単一モードで発振する半導体レーザ201a〜201dが形成された第1の基板102と、前記半導体レーザからの出力光の一部を一定の光路長を伝搬させた後で、前記半導体レーザへ帰還するように構成された光波回路が形成された第2の基板103と、前記第1の基板および前記第2の基板を搭載した第3の基板101とを備え、前記第1の基板の前記半導体レーザからの出力光と、前記第2の基板の前記光波回路の入力導波路とが光学的に結合していることを特徴とする半導体レーザ装置として実現できる。
Therefore, the semiconductor laser device of the present invention propagates a part of the output light from the
好ましくは、前記光波回路は、前記分岐光を反射する反射器305を含み、前記反射器で反射された光が、前記半導体レーザへ帰還するように構成することができる。さらに好ましくは、前記第2の基板上の前記光波回路は、前記半導体レーザからの前記出力光を分岐して前記出力光の前記一部を生成する分岐手段306を有することができる。
Preferably, the light wave circuit includes a
図4は、本実施例の半導体レーザ装置のスペクトル線幅特性を説明する図である。図4では、DFBレーザアレイの中の1つのレーザに150mAの電流を注入し、半導体光増幅器(SOA)204に流す電流値を変化させたときのスペクトル線幅の変化を示している。このとき、半導体レーザ装置100の温度を25℃になるように制御した。スペクトル線幅は、遅延自己ヘテロダイン法によって測定した。SOA電流が低い場合は、DFBレーザへの光帰還量が少ないためスペクトル線幅は太いが、SOA電流値を60mA程度まで増加させると、10kHz以下までスペクトル線幅が狭窄化されている。DFBレーザアレイ単体のスペクトル線幅は、2〜3MHz程度であった。光帰還用の光波回路を備えた本発明の半導体レーザ装置の構成により、DFBレーザアレイ単体に対してスペクトル線幅が2桁以上狭窄化されていることを確認できた。図4に示したようにSOA電流値が180mA以上になると、光帰還量が多すぎることにより発振モードが不安定になり、スペクトル線幅はむしろ増大した。したがって、本実施例の構成の場合、SOA電流値を100mA前後で使用すれば、安定にスペクトル線幅を狭窄化した発振動作が可能となる。
FIG. 4 is a diagram for explaining the spectral line width characteristics of the semiconductor laser device of the present embodiment. FIG. 4 shows changes in the spectral line width when a current of 150 mA is injected into one laser in the DFB laser array and the current value flowing through the semiconductor optical amplifier (SOA) 204 is changed. At this time, the temperature of the
本実施例では、半導体レーザの構造として、利得を持つ導波路上に回折格子が形成されたDFB構造を例に説明をしたが、回折格子が利得を持たない導波路に形成されたDBR(Distributed Bragg Reflector)型の構造を利用しても良い。また、図2A〜図2Cに示したような複数のDFBレーザからなるレーザアレイではなく、単体のDFBレーザまたはDBRレーザにも本発明を適用可能である。また、レーザを構成する導波路の構造として、図2Cに示したように埋め込み型を例に説明したが、リッジ型の構造の導波路を持つレーザにも本発明を適用可能である。本発明の半導体レーザ装置は、変形することのない光導波路によって光帰還用の光波回路を構成するとともに、半導体レーザが構成される基板と同一(共通)の基板上に配置することで、光帰還回路の動作環境の安定性を確保することができる。したがって、光帰還回路が単一の基板上に構成されていれば、帰還回路の構成も図3のものだけに限定されない。 In this embodiment, the DFB structure in which a diffraction grating is formed on a waveguide having a gain has been described as an example of the structure of the semiconductor laser. However, a DBR (Distributed) in which the diffraction grating is formed in a waveguide having no gain is described. A Bragg Reflector type structure may be used. In addition, the present invention can be applied to a single DFB laser or DBR laser instead of a laser array including a plurality of DFB lasers as shown in FIGS. 2A to 2C. Further, the waveguide structure constituting the laser has been described by taking the buried type as shown in FIG. 2C, but the present invention is also applicable to a laser having a waveguide having a ridge structure. In the semiconductor laser device of the present invention, a lightwave circuit for optical feedback is configured by an optical waveguide that is not deformed, and is disposed on the same (common) substrate as the substrate on which the semiconductor laser is configured. The stability of the circuit operating environment can be ensured. Therefore, if the optical feedback circuit is configured on a single substrate, the configuration of the feedback circuit is not limited to that shown in FIG.
また、図1の本発明の半導体レーザ装置の構成では、InP基板上に集積された半導体レーザチップ102を、共通の基板101上に直接搭載したものとして説明した。しかしながら、2つの基板が堅固に固定されていれば本発明の効果は同様に得られるので、2つの基板101、102の間の固定はどのような方法によっても良い。さらに、図1では半導体レーザチップ102を1つの基板として示したが、半導体レーザを含むチップおよび他の光学部品・電気部品を1つの別の基板に搭載し、その別の基板を共通基板101上に搭載しても良い。
In the configuration of the semiconductor laser device of the present invention shown in FIG. 1, the
同様に、光波回路チップ103についても、2つの基板101、103の間の固定はどのような方法も可能であって、直接固定したり、何らかの基材を挟んで固定したりしても良い。さらに、光波回路を含むチップおよび他の光学部品を1つの別の基板に搭載し、その別の基板を共通基板101上に搭載しても良い。
Similarly, the light
本実施例の半導体レーザ装置の構成では、光帰還用の光波回路を、変形することのない光導波路によって構成するとともに、半導体レーザが保持される基板と同一の基板上に配置している。これによって、光帰還回路の動作環境の安定性を確保することが可能となる。本発明の半導体レーザ装置の光帰還構成では、光波回路の中に波長選択フィルタの機能を持っておらず、半導体レーザが持つ波長可変機能を用いる。このため、外部共振器レーザの構成のように、フィルタの波長を精密に調整する必要もない。半導体レーザチップと光波回路チップの組み合わせによって構成され、小型で波長の制御性が良く、スペクトルを狭線幅化した光源を実現することができる。 In the configuration of the semiconductor laser device of this embodiment, the optical circuit for optical feedback is configured by an optical waveguide that is not deformed, and is disposed on the same substrate as the substrate on which the semiconductor laser is held. This makes it possible to ensure the stability of the operating environment of the optical feedback circuit. In the optical feedback configuration of the semiconductor laser device of the present invention, the wavelength selection function of the semiconductor laser is used instead of the wavelength selection filter function in the light wave circuit. For this reason, it is not necessary to precisely adjust the wavelength of the filter as in the configuration of the external cavity laser. A light source that is configured by a combination of a semiconductor laser chip and a lightwave circuit chip, is small in size, has good wavelength controllability, and has a narrow spectral line width.
図5は、本発明の実施例2に係る半導体レーザ装置の概略を示す図である。実施例1の半導体レーザ装置と比べると、半導体レーザチップ102および光波回路チップ103が接するように配置され、半導体レーザチップ102からの出力光が光波回路チップ103の光入力部に直接結合するようになっている点で相違する。その他の構成については、実施例1と同様である。光結合効率を高く保つため、半導体レーザチップ102の光出力部の光のスポットサイズ、および、光波回路チップ103の光入力部の光のスポットサイズがなるべく同一になるよう、チップ端部近傍の各々の導波路が最適に構成されている。例えば各チップの端部における導波路の傾斜角度は、光結合効率の低下なしにチップ端面同志を直接結合できるように設定される。
FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a semiconductor laser device according to the second embodiment of the present invention. Compared to the semiconductor laser device of the first embodiment, the
したがって、本実施例の半導体レーザ装置は、第1の基板102の前記半導体レーザの出力光と、第2の基板103の前記光波回路の入力導波路301とが、対向する前記第1の基板の端面および前記第2の基板の端面で、結合しているものとして実施できる。本実施例の構成では、半導体レーザチップ102および光波回路チップ103を、サブミクロンの精度で基板101上に搭載する必要がある。しかしながら、実施例1で備えていた2つのレンズ104、105を用いずにチップ間の光結合を直接に行っているため、レンズを搭載するための領域が不要となり、半導体レーザ装置のよりいっそうの小型化が可能となる。
Therefore, in the semiconductor laser device of this embodiment, the output light of the semiconductor laser on the
本実施例の半導体レーザ装置でも、実施例1と同様に、SOAに適切な電流値を注入することにより、半導体レーザ単体の場合と比べて、スペクトル線幅を2桁〜3桁程度狭窄化することが可能となる。本実施例の半導体レーザ装置の構成でも、光帰還用の光波回路を、変形することのない光導波路によって構成するとともに、半導体レーザが構成・保持される基板と同一の基板上に配置している。これによって、光帰還回路の動作環境の安定性を確保できる。 Also in the semiconductor laser device of the present embodiment, as in the first embodiment, by injecting an appropriate current value into the SOA, the spectral line width is narrowed by about two to three orders of magnitude compared to the case of the semiconductor laser alone. It becomes possible. Even in the configuration of the semiconductor laser device of the present embodiment, the optical circuit for optical feedback is configured by an optical waveguide that is not deformed, and is disposed on the same substrate as the substrate on which the semiconductor laser is configured and held. . Thereby, the stability of the operating environment of the optical feedback circuit can be ensured.
尚、光波回路チップ103およびレンズ106の間にSOAチップをさらに集積化する構成とすれば、SOAによって光を増幅して、光出力レベルをさらに高めることも可能である。
If the SOA chip is further integrated between the
上述の実施例1および実施例2の半導体レーザ装置では、半導体レーザチップの発振光および光波回路チップからの帰還光が、いずれも共通の半導体光増幅器(SOA)204を経由して伝播する。また図4で説明したように、SOA電流を変化させることでスペクトル線幅を制御していた。このような構成では、スペクトル線幅のためにSOA電流を決定すると、これによって発振光の出力レベルも同時に変化するために、半導体レーザ装置からの光出力レベルを任意に設定することは難しい。そこで本実施例では、本発明の効果を維持したままで、光出力レベルおよびスペクトル線幅を独立して制御可能な別の構成例を提示する。 In the semiconductor laser devices of the first and second embodiments described above, both the oscillation light of the semiconductor laser chip and the feedback light from the lightwave circuit chip propagate through the common semiconductor optical amplifier (SOA) 204. Further, as described with reference to FIG. 4, the spectral line width is controlled by changing the SOA current. In such a configuration, when the SOA current is determined for the spectral line width, the output level of the oscillation light also changes at the same time, so it is difficult to arbitrarily set the optical output level from the semiconductor laser device. Therefore, in this embodiment, another configuration example is presented in which the optical output level and the spectral line width can be independently controlled while maintaining the effects of the present invention.
図6は、本発明の実施例3に係る半導体レーザ装置の概略を示す図である。本実施例の半導体レーザ装置500も、単一の基板501上に半導体レーザチップ502および光波回路チップ510が構成され、2つのチップがレンズを介さずに直接光結合している点で、実施例2の構成と類似している。しかしながら、半導体レーザチップからの発振光の合波出力を、発振光の出力ルートおよび帰還光のルートの2つに分けていている点で実施例2の構成と相違する。
FIG. 6 is a diagram schematically showing a semiconductor laser device according to the third embodiment of the present invention. The
具体的には、本実施例の半導体レーザチップ502は、例えば4つのDFBレーザ506a〜506dからの発振光を合波する光合波器として4入力2出力の光合分波器503を用いている。合分波器503によって、4つのDFBレーザからの出力光は、第1のSOA508を経由して半導体レーザ装置の出力光として外部に出力する第1のルートと、第2のSOA507を経由して光波回路チップ510に出力する第2のルートとに分岐している。このように本実施例では、光合分波器503によって出力光を2つのルートに分岐して、それぞれのルートに別個のSOAを設けている点で、実施例2の構成と相違している。光合分波器503は、スターカプラ、多モード干渉型光合波器などによって実現できる。光波回路チップ510は、光反射器511、AR膜509、所定の長さの光導波路512を備えており、実施例1および実施例2の構成と同様である。
Specifically, the
したがって、本発明は、単一モードで発振する半導体レーザが形成された第1の基板502と、前記半導体レーザからの出力光の一部を一定の光路長を伝搬させた後で、前記半導体レーザへ帰還するように構成された光波回路が形成された第2の基板510と、前記第1の基板および前記第2の基板を搭載した第3の基板501とを備え、前記第1の基板の前記半導体レーザからの出力光と、前記第2の基板の前記光波回路の入力導波路とが光学的に結合している半導体レーザ装置であって、前記第1の基板は、前記半導体レーザからの前記出力光を2つに分岐して、一方の分岐光として前記第2の基板の前記出力光の前記一部を生成し、他方の分岐光として当該半導体レーザ装置の出力光を生成する分岐手段503を有し、前記分岐手段の前記一方の分岐光を増幅する第1の半導体光増幅器508と、前記分岐手段の前記他方の分岐光を増幅する第2の半導体光増幅器507とを有するものとして、実施できる。
Therefore, the present invention provides a
図6に示した実施例3では、4つのDFBレーザが構成されているので、光合分波器503としては4入力2出力の光合分波器を利用しているが、この構成だけに限定されない。すなわち、DFBレーザの数Nに応じて、N入力2出力の光合分波器とすることができる。また、光出力レベルのモニタ用のために、3出力の光合分波器としても良い。本実施例の構成によって、光帰還用の第2のSOA507に流す電流をスペクル線幅が狭くなる最適な値にしながら、光出力用の第1のSOA508に流す電流を独立に制御することで、光出力レベルを自由に設定することが可能になる。実施例1および実施例2のように光波回路チップ側に分岐回路(方向性結合器)がある場合、半導体レーザ装置の出力光は、SOA204の出力の一部を方向性結合器306で分岐した出力であったので、光出力レベルはSOA204の出力より常に小さな値となる。本実施例の構成では、SOA508の出力をそのまま光源の光出力として使うことができる。通信用光源としては、光出力レベルを任意に設定できることは大きな利点である。光源としての光出力レベルが固定されてしまうと、応用範囲が狭まってしまう。本実施例のように、合波出力を2つのルートに分岐する構成を採ることで、スペクトル線幅と光出力レベルを柔軟に設定可能な光源を実現することができる。尚、実施例2においても述べたように、光波回路チップ103およびレンズ106の間にSOAチップをさらに集積化することによって、光出力レベルの調整が可能となる。しかしながら、この場合には半導体レーザ装置全体でチップが3つ必要となり、部材コストや組立コストの増加を招くため、半導体レーザからの出力光を発振光の出力ルートおよび帰還光のルートの2つに分けた本実施例の構成の方がより優れている。
In the third embodiment shown in FIG. 6, since four DFB lasers are configured, a 4-input 2-output optical multiplexer / demultiplexer is used as the optical multiplexer /
以上詳細に述べたように、本発明の半導体レーザ装置によれば、半導体レーザの出力光の一部を光帰還用の光波回路を用いて半導体レーザに戻すことにより、スペクトルの狭線幅動作が可能となる。半導体レーザチップと光波回路チップの組み合わせで構成され、小型で制御性が良く、スペクトルを狭線幅化した光源を実現することができる。 As described above in detail, according to the semiconductor laser device of the present invention, a part of the output light of the semiconductor laser is returned to the semiconductor laser by using the optical circuit for optical feedback. It becomes possible. A light source having a combination of a semiconductor laser chip and a lightwave circuit chip, a small size, good controllability, and a narrow linewidth in the spectrum can be realized.
本発明は、一般的に光通信システムに利用することができる。特に、光通信システムの送信器に利用できる。また、光センシング・システムにも利用できる。 The present invention is generally applicable to an optical communication system. In particular, it can be used for a transmitter of an optical communication system. It can also be used for optical sensing systems.
Claims (8)
前記半導体レーザからの出力光の一部を一定の光路長を伝搬させた後で、前記半導体レーザへ帰還するように構成された光波回路が形成された、Siからなる第2の基板と、
前記第1の基板および前記第2の基板を搭載した第3の基板と
を備え、
前記第1の基板の前記半導体レーザからの出力光と、前記第2の基板の前記光波回路の入力導波路とが光学的に結合していることを特徴とする半導体レーザ装置。A first substrate on which a semiconductor laser that oscillates in a single mode is formed;
A second substrate made of Si on which a lightwave circuit configured to return a part of the output light from the semiconductor laser to the semiconductor laser after propagating a part of the optical path length;
A third substrate on which the first substrate and the second substrate are mounted,
An output light from the semiconductor laser on the first substrate and an input waveguide of the light wave circuit on the second substrate are optically coupled to each other.
前記分岐手段の前記一方の分岐光を増幅する第1の半導体光増幅器と、前記分岐手段の前記他方の分岐光を増幅する第2の半導体光増幅器とを有すること
を特徴とする請求項1または2に記載の半導体レーザ装置。The first substrate splits the output light from the semiconductor laser into two, generates the part of the output light of the second substrate as one branched light, and as the other branched light Branching means for generating output light of the semiconductor laser device,
The first semiconductor optical amplifier that amplifies the one branched light of the branching means, and the second semiconductor optical amplifier that amplifies the other branched light of the branching means. 2. The semiconductor laser device according to 2.
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